Пьезокерамический материал

Изобретение относится к области сегнетомягких пьезокерамических материалов, предназначенных для ультразвуковых устройств, работающих в режиме приема, различных пьезодатчиков, а также для устройств монолитного типа, таких как многослойные пьезоэлектрические актюаторы. Материал, включающий оксиды свинца, циркония, титана, стронция и висмута, дополнительно содержит оксиды гадолиния и эрбия при следующем соотношении компонентов, мас.%: РbO 64,05÷66,84; ZrO2 19,11÷19,60; ТiO2 10,92÷11,20; SrO 1,54÷2,15; Bi2O3 0,72÷1,57; Gd2O3 0,69÷1,18; Er2O3 0,18÷0,25. Технический результат заключается в получении пьезокерамического материала с улучшенными электрофизическими параметрами: повышенной пьезочувствительностью g31=11,8-11,9 мВ⋅м/Н, g33=26,9-27,4 мВ⋅м/Н, повышенным пьезомодулем d31=220-225⋅10-12 Кл/Н и d33=510-518⋅10-12 Кл/Н; повышенным коэффициентом электромеханической связи Кр=0,63-0,64; пониженным тангенсом угла диэлектрических потерь tgδ=1,6-1,7%. 1 пр., 2 табл.

 

Изобретение относится к области сегнетомягких пьезокерамических материалов, предназначенных для ультразвуковых устройств, работающих в режиме приема, различных пьезодатчиков.

Одним из важных параметров сегнетомягких пьезоэлектрических материалов является повышенная чувствительность к механическому напряжению, которая характеризуется пьезокерамическим коэффициентом gij.

Для этого типа пьезокерамических материалов присущи высокие значения пьезомодулей и коэффициента электромеханической связи при среднем значении относительной диэлектрической проницаемости.

К таким материалам системы цирконата титаната свинца (ЦТС), из зарубежных относятся PZT-5A (США) [Каталог фирмы «Uerizon», США], АС-900 (Япония) [Каталог фирмы «Hayashc» chemical Jndustzy Co. LTD. Япония] и др. Отечественные пьезокерамические материалы такого класса представляют ЦТС-19, ЦТС-26 [Материалы пьезокерамические. Технические условия. Отраслевой стандарт ОСТ 110444-87, М., 1987, стр. 16] и др. Относительно высокая температура точки Кюри сегнетомягких пьезокерамических материалов обеспечивает широкий интервал рабочих температур.

В таблице 1 приведены основные электрофизические параметры известных пьезокерамических материалов. Как видно из таблицы 1, все материалы данного класса имеют довольно близкие значения пьезомодулей, тангенса утла диэлектрических потерь в слабом поле, относительной диэлектрической проницаемости, коэффициента электромеханической связи Кр и пьезоэлектрической чувствительности gij.

Наиболее близким к заявляемому сегнетомягкому материалу по химической композиции и пьезосвойствам является принимаемый за прототип пьезокерамический материал, включающий оксиды свинца, циркония, титана, стронция, вольфрама, висмута, никеля, кадмия и германия при следующем соотношении компонентов, мас. % [Патент РФ №2514353, МПК С04В 35/491, опубл. 27.04.2014 г.]:

PbO 62,90÷64,08
ZrO2 18,96÷20,10
ТiO2 10,85÷11,63
SrO 1,53÷2,64
WO3 0,34÷0,62
Bi2O3 1,01÷1,86
Ni2O3 0,08÷0,23
CdO 0,59÷1,18
GeO2 0,2÷1,0

Однако известный материал уступает отечественным и зарубежным материалам, по величине температуры точки Кюри, что снижает верхний предел рабочей температуры эксплуатации и ухудшает термостабильность свойств. Кроме этого материал имеет недостаточно высокие значения пьезомодулей d31 и d33.

Как известно, улучшить свойства пьезокерамики системы ЦТС можно путем введения различных модифицирующих добавок [Гринева Л.Д., Фесенко Е.Г. Классификация модификаторов системы титанат-цирконат свинца С5 «Кристаллизация и свойства кристаллов», Новочеркасск, 1974, стр. 99-107]. Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является достижение технического результата, заключающегося в создании сегнетомягкого пьезоэлектрического материала с улучшенными основными электрофизическими параметрами. Поставленная задача решается в пьезокерамическом материале, включающем оксиды свинца, циркония, титана, стронция, висмута и дополнительного содержащем оксиды гадолиния и эрбия при следующем соотношении компонентов, мас. %:

PbO 64,05÷66,84
ZrO2 19,11÷19,60
ТiO2 10,92÷11,20
SrO 1,54÷2,15
Bi2O3 0,72÷1,57
Gd2O3 0,69÷1,18
Er2O3 0,18÷0,25

Таким образом, отличительными признаками изобретения являются то, что в сегнетомягкий материал дополнительно введены оксиды гадолиния и эрбия. Введение оксида гадолиния позволяет повысить пьезочувствительность и пьезомодуль материала, уменьшить тангенс угла диэлектрических потерь. Оксид эрбия повышает коэффициент электромеханической связи.

Перечисленная совокупность отличительных признаков позволяет достичь технического результата, заключающегося в создании сегнетомягкого пьезокерамического материала с улучшенными основными электрофизическими параметрами, обладающего повышенной пьезочувствительностью g31=11,8-11,9 мВ⋅м/Н, g33=26,9-27,4 мВ⋅м/Н, повышенным пьезомодулем d31=220-225⋅10-12 Кл/Н и d33=510-518⋅10-12 Кл/Н; повышенным коэффициентом электромеханической связи Кр=0,63-0,64; пониженным тангенсом утла диэлектрических потерь tgδ=1,6-1,7%.

ПРИМЕР:

Предлагаемый материал согласно формуле изготавливается по обычной «керамической» технологии. Для сравнения изготавливался материал по прототипу.

В качестве исходных компонентов предлагаемого сегнетомягкого материала использовались оксиды: PbO - глет свинцовый марки «Г-2», TiO2, ZrO2, SrCO3, Bi2O3, Gd2O3, Er2O3 квалификации «хч». Смешение компонентов производилось мокрым измельчением в планетарной мельнице с шарами из оксида циркония в течение 180 минут, после сушки шихта подвергалась температурной обработке при Т=800°С в течение 2 часов, после чего синтезированный материал подвергался помолу в планетарной мельнице с шарами из оксида циркония в течение 180 минут до дисперсности Sуд=550 м2/кг на приборе ПСХ-4.

Аттестация качества синтезированного материала осуществлялась на отпрессованных при давлении Руд=100 МПа стандартных образцах размером 25×3 мм. Спекание этих образцов проводили при температуре Т=1170-1180°С в течение 4 часов в засыпке, обеспечивающей атмосферу паров окиси свинца. На отшлифованные по толщине и диаметру образцы до размера 20×1 мм наносили серебряную пасту, которую вжигали при температуре 820°С. Образцы поляризовали в воздушной среде при Т=250°С в постоянном электрическом поле напряженностью 2 кВ/мм. Определение электрофизических параметров проводилось в соответствии с [Материалы пьезокерамические. Технические условия. Отраслевой стандарт ОСТ 110444-87, М., 1987, стр. 16].

В таблице 2 приведены основные электрофизические характеристики предлагаемого материала в зависимости от состава, полученные усреднением измерений характеристик 10 образцов с каждой партии. Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что предлагаемый сегнетомягкий пьезоэлектрический материал обладает оптимальными, с точки зрения решаемой задачи, характеристиками в интервале величин компонентов, указанных в формуле изобретения (составы №3-5 табл. 2). В сравнении с пьезокерамическими материалами ЦТС-19 и PZT-5A (табл. 1 и 2), полученный материал имеет более высокие значения g31, g33, d31, d33 и Кp, в то же время материал этого класса согласно прототипу имеет существенно более низкую температуру точки Кюри, что ведет к уменьшению интервала рабочих температур использования пьезоматериала.

Пьезокерамический материал, включающий оксиды свинца, циркония, титана, стронция, висмута, отличающийся тем, что дополнительно содержит оксиды гадолиния и эрбия при следующем соотношении компонентов, мас.%:

PbO 64,05÷66,84
ZrO2 19,11÷19,60
TiO2 10,92÷11,20
SrO 1,54÷2,15
Bi2O3 0,72÷1,57
Gd2O3 0,69÷1,18
Er2O3 0,18÷0,25



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способу изготовления керамических пьезоматериалов из нано- и ультрадисперсных порошков фаз кислородно-октаэдрического типа, содержащих в позиции (В) ионы титана (IV), ниобия (V), циркония (IV), вольфрама (VI).

Изобретение относится к области производства пьезокерамических материалов, предназначенных для изготовления излучателей и приемников ультразвука, электромеханических преобразователей.
Изобретение относится к области пьезокерамических материалов, предназначенных для изготовления многослойных ультразвуковых устройств в виде слоистых гетероструктур, являющихся основой различных пьезодатчиков (давления, медицинской диагностики, эмиссионного контроля гидроакустической аппаратуры и т.д.), работающих в режиме приема.

Изобретение относится к области сегнетомягких пьезокерамических материалов широкого применения, предназначенных для изготовления ультразвуковых устройств, работающих в режиме приема, пьезодатчиков различного назначения, а также для изготовления многослойных пьезокерамических элементов: актюаторов, биморфов и др., которые находят применение для контроля и точного позиционирования технологического оборудования в микроэлектронном производстве, для стыковки и подстройки оптических волокон, при автоюстировке и подстройке лазерных зеркал интерферометров, для управления лазерным лучом в различных системах.

Изобретение относится к области химического синтеза металлосодержащих растворов сложного состава, включающих как алкоксидные, так и карбоксилатные производные металлов, применяемых для получения оксидных твердых растворов с использованием золь-гель технологии, а именно к способам приготовления безводных пленкообразующих растворов для формирования сегнетоэлектрических пленок цирконата-титаната свинца с низкой температурой кристаллизации и может быть использовано в технологии микроэлектроники и, в частности, для производства энергонезависимых радиационно-стойких сегнетоэлектрических запоминающих устройств.
Изобретение относится к керамическому материалу, содержащему цирконат-титанат свинца и дополнительно включающему Nd и Ni, и может быть использовано для изготовления пьезоэлектрических возбудителей.

Изобретение относится к области химического синтеза металлосодержащих растворов сложного состава, включающих как алкоксидные, так и карбоксилатные производные металлов, применяемых для получения оксидных твердых растворов с использованием золь-гель технологии, а именно к способам приготовления безводных пленкообразующих растворов для формирования сегнетоэлектрических пленок цирконата-титаната свинца, и может быть использовано в технологии микроэлектроники и, в частности, для производства энергонезависимых сегнетоэлектрических запоминающих устройств.
Изобретение относится к химической технологии получения нанопорошков композиционных материалов на основе оксидов свинца, титана и циркония, используемых для получения керамики со специальными свойствами.

Изобретение относится к области сегнетожестких пьезокерамических материалов, устойчивых к электрическим и механическим воздействиям, предназначенных для ультразвуковых устройств, в том числе многослойных и работающих при сильных электрических и механических воздействиях.

Изобретение относится к области сегнетомягких пьезокерамических материалов, предназначенных для ультразвуковых устройств, работающих в режиме приема, различных пьезодатчиков, а также для устройств монолитного типа, таких как многослойные пьезоэлектрические актюаторы.

Изобретение относится к технологии получения пьезокерамического материала ЦТС-19, который может быть использован в качестве пьезоактивной составляющей композиционных материалов со связностями 1-3 и 3-3, используемых в приемной аппаратуре в гидроакустике и медицине. Технический результат - повышение удельной чувствительности g33 до значений 40-45⋅10-3 В⋅м/Н, пьезомодуля d33 до значений 450-500⋅10-12 Кл/Н при сохранении значений относительной диэлектрической проницаемости . Для приготовления исходной шихты предварительно синтезируют оксид титана-циркония Ti0.47Zr0.53O2 методом химического соосаждения из азотнокислых растворов титана и циркония (Н2[Zr(NO3)6], Н2[Ti(NO3)6]), взятых в соотношении Ti4+/Zr4+=0,47/0,53, с термообработкой при температуре 800-950°С и времени выдержки 2-4 ч. Синтезированный ультрадисперсный порошок Ti0.47Zr0.53O2 смешивают с мелкодисперсными порошками PbO, Nb2O5 и SrCO3. Локальные механические напряжения на развитых поверхностях раздела ультрадисперсных порошков при взаимодействии с мелкодисперсными порошками при синтезе твердых растворов системы ЦТС приводят к образованию псевдоморфотропных областей, облегчению движения доменных стенок, переориентаций поляризации и изменению связанных с этим электрофизических свойств. 4 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 табл.

Изобретение относится к области сегнетомягких пьезокерамических материалов, предназначенных для ультразвуковых устройств, работающих в режиме приема, различных пьезодатчиков, а также для устройств монолитного типа, таких как многослойные пьезоэлектрические актюаторы. Материал, включающий оксиды свинца, циркония, титана, стронция и висмута, дополнительно содержит оксиды гадолиния и эрбия при следующем соотношении компонентов, мас.: РbO 64,05÷66,84; ZrO2 19,11÷19,60; ТiO2 10,92÷11,20; SrO 1,54÷2,15; Bi2O3 0,72÷1,57; Gd2O3 0,69÷1,18; Er2O3 0,18÷0,25. Технический результат заключается в получении пьезокерамического материала с улучшенными электрофизическими параметрами: повышенной пьезочувствительностью g3111,8-11,9 мВ⋅мН, g3326,9-27,4 мВ⋅мН, повышенным пьезомодулем d31220-225⋅10-12 КлН и d33510-518⋅10-12 КлН; повышенным коэффициентом электромеханической связи Кр0,63-0,64; пониженным тангенсом угла диэлектрических потерь tgδ1,6-1,7. 1 пр., 2 табл.

Наверх